地铁列车紧急制动环路研究及优化

吴安伟 李峰

摘 要：结合郑州地铁列车紧急制动不缓解的案例，通过对各线路紧急制动环路进行研究，并分析其设计缺陷，从而优化紧急制动接触器选型及环路设计方案，最终形成郑州地铁列车通用的紧急制动环路方案，也可为其他地铁公司设计紧急制动环路提供参考。

关键词：地铁;紧急制动环路;接触器选型;设计优化

中图分类号：U279.3

紧急制动环路的设置旨在列车发生紧急情况时可以在最短时间内停车，最大限度地保障乘客人身及财产安全;但该环路若因故障断开，列车无法缓解紧急制动则会造成列车清客、救援事件，对正线运营产生重大影响。因此，紧急制动环路不仅是应对外界不安全因素的重要保障，还是因内在故障严重影响正线运营的重大隐患，具有两面性。本文通过梳理郑州地铁各条线路中紧急制动环路的安全性问题，并针对相应的问题提出优化意见，设计出适合郑州地铁列车通用的紧急制动环路方案。

1 列车紧急制动不缓解案例

2019年7月1日，郑州地铁1号线0111车发生紧急制动无法缓解故障，司机转换至紧急牵引位仍无法动车，当换端后故障消失。2018年11月16日，2号线0229车发生紧急制动无法缓解故障，司机依次降级至非限制人工驾驶模式（NRM）、紧急牵引位仍无法动车，最终列车清客后进行救援，造成正线晚点、抽线、下线、加开等重大影响。经分析，这2起故障原因均为紧急制动接触器触点卡滞造成缓解指令无法传输至制动阀体。同类案例在上海地铁7号线、宁波地铁1号线、杭州地铁2号线等多家地铁公司均有发生，对正线运营产生严重影响。

2 紧急制动环路控制原理

列车紧急制动环路包含控制回路和指令回路，控制回路通过串联车辆和信号系统中影响行车安全的设备反馈点（如车辆超速保护、总风压力监控、司控器等）控制紧急制动接触器;指令回路串联紧急制动接触器触点和制动阀，将控制回路的指令通过接触器触点最终传输至制动阀体，实现列车紧急制动。通常，紧急制动环路的设计理念分为2种：①保制动缓解，即通过接触器触点并联方式增加紧急制动缓解的概率，以列车运营为导向;② 保制动施加，即通过接触器多对触点串联方式增加紧急制动施加的概率，以列车安全为导向。接触器触点并联方式可降低其工作电流，串联方式可降低制动阀体的工作电压，实际应用中各有利弊。通过调研，一些项目/线路的紧急制动环路接触器连接方式如表1所示。

郑州地铁1号（0101～0125车）、2号及5号线列车紧急制动环路设计理念为保制动施加，而1号线（0126～0155车）和城郊线列车为保制动缓解，环路中部件及接线顺序大同小异。

2.1 1 号线（0101～0125车）列车环路控制

1号线紧急制动控制环路中依次串联司机室占有、司控器方向、信号紧急制动（EBR）、网络（VCU）紧急制动、紧急牵引超速、紧急停车、总风压力低、零速、紧急制动等设备及接线;其中自动折返（ATB）与司控器方向并联、列车自动防护（ATP）与信号EBR并联、紧急牵引与VCU紧急制动和紧急牵引超速并联，总风压力低有旁路开关，警惕按钮和紧急制动接触器与零速继电器并联。指令回路中将紧急制动接触器的3对触点串联于紧急制动列车线，最后连接至制动阀，如图1所示。

2.2 2 号、5 号线列车环路控制

2号、5号线列车紧急制动环路中所包含的设备及接线与1号线相同，仅继电器位置和触点个数稍有差别，结构的主要区别在于：①控制回路中信号EBR后置，增设在指令回路中;②紧急停车继电器提前，设在司控器方向之后;③指令回路中制动阀后增设信号和ATP切除并联触点、3对紧急制动接触器触点。

2.3 城郊线和1号线（0126～0155 车）列车环路控制

城郊线紧急制动环路中同样包含司机室占有、司控器方向、信号EBR、VCU紧急制动、紧急牵引超速、紧急停车、总风压力低、零速、紧急制动等设备及接线，但设备的供电方式、表述方式、设置顺序和数量与1号、2号、5 号线均有所不同，主要体现在：①城郊线紧急制动控制回路及指令回路由2路空气开关（也称空气断路器）单独供电，1 号、2号和5号线则由1路空气开关供电;②1号线（0126～0155车）由2个紧急制动接触器分别提供1对触点并联接入紧急制动指令回路中;③城郊线列车由2个紧急制动接触器分别提供1对触点串联接入紧急制动指令回路中。

3 紧急制动环路存在的问题

通过分析，郑州地铁列车紧急制动环路设计中存在以下问题：

（1）西门子3RT1017-2KF42

型接触器出现触点烧熔现象，使用寿命无法满足紧急制动环路的实际需求;

（2）1号线（0101～0125车）列车的信号EBR设置在紧急制动控制回路中，信号系统产生紧急制动时会使紧急制动接触器动作，增加其动作频次，从而提升了卡滞的概率;

（3）2号、5号线列车的指令回路中，在制动阀体前后分别设置3对接触器触点串联，增加了接触器卡滞导致无法缓解紧急制动的概率;

（4）1号线（0126～0155车）列车的紧急制动环路采用2对触点并联方式，与多对触点串联方式相比，增加了紧急制动无法施加的概率，运营安全性降低;

（5）设计中均未对紧急制动接触器卡滞设置旁路功能，一旦出现接触器卡滞紧急制动无法缓解只能等待救援，严重影响正线运营。

4 地鐵列车紧急制动环路优化

4.1 接触器选型优化

紧急制动接触器是列车紧急制动施加和缓解的关键部件，其选型是首先需要考虑的问题。紧急制动接触器负载为制动阀体，施加和缓解时冲击电流集中在70～90 A之间，持续时间约为100 μs ，每次紧急制动施加时接触器会动作1次。如果接触器容量不足，反复大电流冲击将造成接触器触点烧熔。例如，宁波地铁1号线、杭州地铁2号线、成都地铁1号线曾出现紧急制动接触器烧熔故障;宁波地铁2号线、郑州地铁1号线出现过接触器触点卡滞的故障。当发生紧急制动接触器触点烧熔现象后，将原西门子3RT1017-2KF42型接触器统一更换为施耐德LC1D326FLS207型接触器。该接触器3对触点串联的额定工作电流为50 A，分断接通能力大于200 A，其容量满足实际需求。

郑州地铁列车施加紧急制动时的负载冲击电流约为160 A，分断功率约为44 kW，紧急制动接触器3对串联触点的每对分断功率约为14.67 kW。通過分析施耐德LC1D326FLS207型接触器寿命曲线可知，该接触器每对主触头可承受的最大分断功率为16 kW时，电气寿命的动作次数大于3×105次。根据郑州地铁实际运行情况，在5年架修时更换紧急制动接触器，其动作次数约为9.1万次，小于其使用寿命30万次的1/3，则设计寿命满足实际需求。但在实际生产中，无法保障该接触器在全寿命周期内100%可靠，因此如何减少接触器动作频次，降低其故障率是紧急制动环路设计的关键。

4.2 环路设计方案优化

环路设计方案优化的原则是：在确保安全的前提下，最大限度地提升运营效率。具体内容如下：

（1）紧急制动环路设计应坚持安全导向的原则，采用保制动施加方案，即多对触点在指令回路中串联;

（2）将信号EBR设置在指令回路中，确保信号系统在施加紧急制动时接触器不动作;

（3）在指令回路中制动阀体前设置接触器串联触点，取消制动阀后的触点;

（4）增设紧急制动接触器旁路，在出现接触器卡滞、紧急制动无法缓解的情况下仍具备动车条件，无须启用救援方案。

具体优化方法为：将信号EBR从控制回路移至指令回路，控制回路中其他设计不做变更;指令回路中依次包含紧急制动接触器多对串联触点、信号EBR、制动阀。增设的紧急制动接触器旁路连接在接触器串联触点两端，旁路包含接触器串联触点、总风压继电器触点、蘑菇按钮接线，如图2所示。旁路中串联总风压继电器触点、蘑菇按钮接线，确保旁路启用后列车仍具有总风压力低和蘑菇按钮防护功能;同时，在列车控制系统中增设旁路监控并建立联锁关系，当该旁路被触发时，列车限速30 km/h运行，增加安全保障。

5 结语

本文通过深度分析郑州地铁各线路紧急制动环路控制原理，调研同行业接触器设置方式，以及分析接触器选型情况，根据存在的问题提出相应的优化方案。该方案将正常运营时列车的紧急制动环路导向安全;减少接触器动作频次，降低接触器卡滞导致紧急制动不缓解的概率;在故障发生时能确保列车具备动车条件。目前该方案已被确定为郑州地铁新线列车通用的紧急制动环路设计方案，且在2号线完成部分项目的优化工作，已通过现场测试并投入运营，目前运营效果良好。

参考文献

[1]张谦虓，陈嘉.地铁列车紧急制动回路中旁路设置的研究[J].上海电气技术，2019，12（1）：54-57.

[2]许晶.地铁车辆紧急制动旁路开关可行性研究[J].现代城市轨道交通，2015（2）：29-31，34.

[3]熊标，王亚州.电客车正线不明原因紧急制动的原因分析[J].住宅与房地产，2019（19）：250.

[4]王宽兵，肖贵平，杨海.城轨车辆制动系统浅析[J].信息系统工程，2019（6）：149.

[5]崔志民.信号系统与车辆紧急制动接口分析[J].铁路通信信号工程技术，2020，17（2）：112-116.

[6]刘冬阳.城市地铁车辆紧急制动回路改造分析[J].科技与企业，2013（4）：276.

[7]童巧新.地铁列车紧急制动安全回路比较分析与优化设计[J].南方职业教育学刊，2017，7（2）：105-109.

[8]吕劲松，聂畅.地铁列车旁路的设置情况与原则分析[J].电力机车与城轨车辆，2013（6）：66-67.

[9]邓志刚，王丽艳.南京地铁1号线车辆紧急制动系统浅析[J].机车车辆工艺，2009（1）：7-8.

[10] 马喜成.上海轨道交通4号线地铁车辆紧急制动功能分析与计算[J].电力机车与城轨车辆，2007（3）：27-30，55.

[11] 陈春棉.上海地铁3号线车辆紧急制动的实现[J].科技资讯，2012（11）：48-49.

[12] 中车株洲电力机车有限公司.郑州地铁一号线一期电气原理图[Z]. 2013.

[13] 中车株洲电力机车有限公司.郑州地铁二号线电气原理图[Z]. 2015.

[14] 中车株洲电力机车有限公司.郑州地铁五号线电气原理图[Z]. 2018.

[15] 中车青岛四方机车车辆股份有限公司.郑州地铁一号线二期电气原理图[Z]. 2016.

[16] 中车青岛四方机车车辆股份有限公司.郑州地铁城郊线电气原理图[Z]. 2019.

[17] 白菊兰.成都地铁1号线地铁车辆紧急制动无法缓解故障分析[J].机车电传动，2013（4）：65-66.

[18] 王天天.地铁车辆紧急制动接触器应用与选型分析[J].电力机车与城轨车辆，2017，40（2）：82-84.

[19] 吴易容.广州地铁列车继电器的可靠性分析与换型研究[D].广东广州：华南理工大学，2018.

[20] 聂畅.提高地铁车辆继电器可靠性的方法探讨[J].电力机车与城轨车辆，2012，35（2）：78-79，84.

[21] 任崇会.地铁列车正线紧急停车按钮故障分析及处理建议[J].现代城市轨道交通，2018（1）：22-25.

[22] 郭紫林，周述良.地铁列车制动缓解旁路电路的改进[J].成都电子机械高等专科学校学报，2011（2）：33-36.

[23] 李伟，毛昱洁，王珂.城市轨道交通列车紧急制动不缓解故障处理优化[J].中国现代教育装备，2016（11）：129-131.

[24] 赵寻，文作强，熊耀.重庆市轨道交通1号线车辆制动不缓解典型案例分析[J].现代城市轨道交通，2019（3）：15-18.

[25] 刘海龙. 大连快轨3号线列车紧急制动不缓解故障分析及解决方案[J].电力机车与城轨车辆，2011（5）：82-83.

[26]于昳琳，刘海龙. 大连快轨车辆制动控制旁路开关改造方案[J].现代城市轨道交通，2012（5）：8-10.

收稿日期 2020-05-09

责任编辑 党选丽